تاثیر فناوری‌های چاپ سه‌بعدی روی جراحی‌های آینده

آنچه در تصویر زیر دیده می‌شود، یک لوب کبد است، در سمت راست یک نمونه‌ی گوشتی و خونی که از یک اهداکننده‌ی پیوند جدا شده است و در سمت چپ، یک نمونه‌ی پلاستیکی برای نشان دادن مجاری صفراوی، سرخرگ‌ها و سیاهرگ‌ها که لایه لایه به‌وسیله‌ی یک چاپگر چاپ سه‌بعدی ایجاد شده است.

هدف این فناوری، کمک به جراحان برای برنامه‌ریزی و تمرین رویکردهای پیچیده و آموزش جراحان تازه‌کار با شبیه‌سازی است که همچون یک عضو حقیقی رفتار می‌کند.

جراحان فرایند آناتومیکی پیچیده‌ای راه هدایت می‌کنند. آن‌ها باید با دقت و سرعت درمورد محل برش‌ها و بخیه‌ها تصمیم‌گیری کنند. کار آن‌ها با این واقعیت که آناتومی انسان‌ها با هم یکسان نیست، دشوارتر هم می‌شود. آن‌ها برای آماده شدن و برنامه‌ریزی، به‌طور منظم از تصاویر دو بعدی سی‌تی اسکن یا MRI استفاده می‌کنند. اما با پیشرفت‌های اخیر در زمینه‌ی چاپ سه‌بعدی اعضای بدن، آن‌ها در حال روی آوردن به مدل‌های واقع‌گرایانه‌ی سه‌بعدی هستند که برای هر بیمار اختصاصی است. چنین مدل‌هایی برای آموزش بیماران، آموزش‌های عمومی و برنامه‌ریزی و تمرین مخصوصا رویکردهای دشوار مورد استفاده قرار گرفته است. اما در آینده، مدل‌های سه‌بعدی، (فیزیکی یا مجازی) می‌توانند به ابزار معمولی برای آموزش جراحان یا تعیین موقعیت عمل جراحی تبدیل شوند.

پژوهشگران به‌منظور چاپ سه‌بعدی، ابتدا برش‌های دو بعدی دیجیتال متوالی حاصل از سی‌تی اسکن یا MRI را در یک نقشه‌ی توپوگرافیک که ساختارهای پیچیده را در سطوح مختلف ارگان برجسته می‌کند، با هم ترکیب می‌کنند. سپس چاپگرها مدل‌ها را لایه به لایه می‌سازند؛ گاهی اوقات با استفاده از یک جوهرافشان برای ریختن قطرات رزینی که به‌وسیله‌ی تابش نور فرابنفش فیکس می‌شود و گاهی نیز با استفاده از پلیمری که به محض خارج شدن از دستگاه چاپ، سخت می‌شود.

این تکنولوژی برای نخستین بار در دهه‌ی ۱۹۸۰ توسعه پیدا کرد. در آن زمان، چنین چاپگرهایی گران و مواد آن‌ها محدود بود. اما پیشرفت‌های اخیر موجب ارزان‌تر شدن آن به‌صورتی شده که حتی برای کاربران خانگی نیز قابل استفاده است. همچنین پیشرفت در روش‌های چاپ و نرم‌افزارها، دانشمندان و مهندسین را قادر ساخته است که ساختارهای پیچیده‌ای از رنگ و بافت را با دقت بالا چاپ کنند. براین اساس، ایجاد مدل‌های بسیار دقیق و واقع‌گرایانه از اعضای بدن امکان‌پذیر شده است.

این کلیه‌ی مصنوعی با یک تومور در یک قالب سه‌بعدی چاپ شده است. هیدروژل‌های نرم ریخته‌شده در قالب به ارگان حاصل، ویژگی‌های واقع‌گرایانه‌ی عضلات، چربی یا دیگر بافت‌ها را می‌دهد

نیزار زین، متخصص گوارش کلینیک کلویلند، در سال ۲۰۱۲ و پس از مطالعه‌ی مقاله‌ای درمورد ساخت خانه با استفاده از چاپگرهای سه‌بعدی و ظرفیت آن در رابطه با اکتشافات فضایی، ایده‌ی چاپ سه‌بعدی اعضای بدن را مطرح کرد. او می‌خواست بداند که آیا این روش می‌تواند موجب ایمن‌تر شدن پیوند کبد شود یا خیر. هر کبد دارای شبکه‌ی پیچیده منحصربه‌فردی از سرخرگ‌ها، سیاهرگ‌ها و مجاری صفراوی است و یک برش اشتباه می‌تواند موجب بروز عوارض جدی و حتی مرگ اهداکننده و دریافت‌کننده شود. بنابراین زین، گروهی از دانشمندان از رشته‌های مختلف مانند پزشکی، متخصصان تصویربرداری و مهندسین و طراحان نرم‌افزار را به کار گرفت تا برای راهنمایی فرایند جراحی، یک کبد سه‌بعدی از بیمار را با رزین تولید کنند.

زین این مدل را پالایش کرد و در سال ۲۰۱۳ شروع به مطالعه‌ی این موضوع کرد که چگونه یک مدل سه‌بعدی کبد با اندازه‌ی طبیعی، می‌تواند نحوه‌ی برنامه‌ریزی جراحی‌ها را تغییر دهد. او در یک مطالعه‌ی کوچک اولیه نشان داد که این مدل‌ها ازنظر شکل و آناتومی با اندام‌های زنده سازگاری دارند. مدل‌های زین و گروهش در بیش از ۲۰ جراحی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. زین می‌گوید در بسیاری از موارد، نگاه کردن به مدل موجب شده است که جراحان نحوه‌ی برش اندام را تغییر دهند و حتی در یک مورد موجب شد جراحان به این نتیجه برسند که آن اهداکننده مناسب نیست. اکنون گروه زین در مسیر چاپ مدل‌های سه‌بعدی تومورهای پیچیده‌ی کبدی برای درک نحوه‌ی اتصال آن‌ها به کبد و بنابراین برنامه‌ریزی عملیات جراحی قرار دارند. او می‌گوید:

هرچه ما در مورد آناتومی و ساختارهای بیمار بیشتر بدانیم، عمل جراحی بهتر انجام خواهد شد.

مدل‌های سه‌بعدی اعضای بدن می‌توانند به آموزش پزشکان نیز کمک کنند. احمد غازی، اورولوژیست دانشگاه روچستر می‌خواست مدل‌های واقع‌گرایانه‌ای از کلیه بسازد که عمل جراحی را شبیه‌سازی کند. او می‌گوید:

من چیزی می‌خواستم که مانند یک کلیه‌ی واقعی باشد و خونریزی کند.

جراحان کلیه اغلب با برداشت تومورها از اندامی رو‌به‌رو هستند که پر از عروق خونی است. آن‌ها قبل از اینکه این عضو با خون مسدود شده و شروع به مردن کند، ممکن است تنها ۳۰ دقیقه زمان داشته باشند.

برخی از مدل‌های اندام‌های مصنوعی (سمت راست) چنان ساخته شده‌اند که می‌توانند درست مانند اعضای حقیقی (سمت چپ) خونریزی کنند (این عمل برای برداشت یک تومور کلیه انجام شده است)

گروه غازی برای ساخت یک مدل کلیه، چربی، روده‌ها و دیگر بافت‌های شبیه‌سازی‌شده را در حفره‌ای مانند حفره‌ی شکمی لایه لایه روی هم قرار دادند. غازی می‌گوید:

(به کمک این مدل) جراح قادر است که عمل را از ابتدا تا انتها انجام دهد.

او و همکارانش مدل‌های عمومی را به‌منظور آموزش و نیز نمونه‌هایی را با استفاده از تصاویر اسکن بیماران برای شبیه‌سازی جراحی‌های خاص ساخته‌اند. غازی این سیستم را با همکاری ۵ جراح متخصص و ۱۰ جراح مبتدی روی رویه‌ی معمول ولی چالش‌برانگیز شکستن سنگ‌های بزرگ کلیه آزمایش کرد. متخصصان، این مدل را بسیار واقع‌گرایانه یافتند و جراحان مبتدی معتقد بودند این مدل‌ها به تمرین جراحی قبل از انجام عمل جراحی واقعی کمک می‌کند.

زین می‌گوید که در ساخت مدل‌های سه‌بعدی اعضای بدن، انتخاب مواد بستگی به استفاده‌ی مورد نظر دارد. پلاستیکِ سخت، برای تجسم ساده‌ی سه‌بعدی وقتی هدف جزئیاتی مانند شکل یک تومور یا انحنای عروق و مجاری نباشد، مناسب است. اما مواد انعطاف‌پذیر و اسفنجی شامل سیلیکون‌ها، پلاستیک‌های نرم و هیدروژل‌ها واقعی‌تر به‌نظر می‌رسند. خاصیت انعطاف‌پذیری آن‌ها می‌تواند خواص مکانیکی بافت زنده را تقلید کند و یک اندام تمرینی را مهیا می‌کند که جراحان می‌توانند آن را باز کرده و عرض و عمق برش‌های لازم برای انجام عمل را برنامه‌ریزی کنند. همچنین، مدل‌های نرم‌تر می‌توانند شامل ویژگی‌های دیگری مانند حسگرهای فشار باشند که اطلاعات بیشتری را در اختیار جراحان قرار خواهد داد.

غازی و همکارانش انواع مختلفی از مدل‌ها را با بافت‌های ویژه ایجاد کرده‌اند. آن‌ها به‌جای چاپ مستقیم، از چاپ سه‌بعدی برای ایجاد قالب‌های دقیق استفاده می‌کنند. سپس هیدروژل‌های تخصصی را درون این قالب‌ها تزریق می‌کنند؛ پلاستیک‌های ژله‌‌مانندی که در ساختار آن‌ها ۷۰ درصد آب وجود دارد و طوری تنظیم می‌شوند که همچون عضلات، چربی و عروق خونی واکنش نشان دهند. آن‌ها حتی مایعاتی را به این ساختارها اضافه می‌کنند، به‌صورتی که همان‌طور که در جراحی‌های واقعی اتفاق می‌افتد، برش عروق خونی یا دیگر مجاری موجب خونریزی یا چکه کردن آن‌ها ‌شود.

مایکل مک‌آلپاین، مهندس مکانیک دانشگاه مینه‌سوتا به‌عنوان ابزار آموزشی جراحان، مدل‌های سه‌بعدی پروستات ایجاد کرده است که دارای ویژگی‌های مکانیکی بافت حقیقی هستند. تیم او از نمونه‌های پروستات جداشده از بیماران سرطانی برای آزمایش ویژگی‌هایی نظیر استحکام و انعطاف‌پذیری در این مدل‌ها استفاده کرده است. آن‌ها حتی مدل‌های پروستات را با حسگرهای حساس به فشار ساخته‌شده از هیدروژل‌ها و سیلکون‌های لاستیکی مجهز کردند. حسگرها می‌توانند فشار اعمال‌شده به‌وسیله‌ی آندوسکوپ یا قیچی‌های جراحی را اندازه‌گیری کنند و اطلاعات مفیدی را در اختیار پزشکان قرار دهند.

این پروستات چاپ سه‌بعدی‌شده می‌تواند با حسگرهای فشاری مجهز شود که به جراح اجازه می‌دهد روی مدلی کار کند که حس کار با اندام واقعی را القا می‌کند

مشخص نیست که چه تعداد از بیمارستان‌های آمریکا مدل‌های سه‌بعدی اعضای بدن را چاپ می‌کنند. ویلیام ویدوک، رادیولوژیست دانشگاه میشیگان می‌گوید:

من گمان می‌کنم که بیشتر بیمارستان‌های متوسط و بزرگ حداقل در حال تلاش برای انجام این کار هستند.

مراکز پزشکی مجهز و متخصص اکنون می‌توانند برخی از انواع مدل‌های سه‌بعدی دارای جنس پلاستیکی سخت را در ازای کمی بیش از چند صد دلار چاپ کنند. شرکت‌هایی مانند Lazarus 3D و Materialise نیز در حال حاضر به تولید مدل‌های ارگان با استفاده از داده‌های تصویربرداری مشغول هستند. اما سازمان‌های نظارتی و شرکت‌های بیمه درمانی هنوز از این تکنولوژی عقب هستند. فقط یک بسته‌ی نرم‌افزاری که به‌وسیله‌ی Materialise توسعه پیدا کرده، تأیید FDA را برای ساخت فایل‌های چاپ مورد استفاده در تشخیص بیماری دریافت کرده است. بیمه برای ایجاد چنین مدل‌های اختصاصی برای بیمار، پولی پرداخت نمی‌کند.

مدل‌های چاپ‌شده اعضای بدن ممکن است گامی بزرگ به‌سوی توسعه‌ی مدل‌های سه‌بعدی مبتنی برکامپیوتر باشد که از واقعیت افزوده استفاده می‌کند و در آن جراحان از هدست‌ها و ابزارهای دیگری برای مشاهده و دستکاری نمایش‌های سه‌بعدی استفاده می‌کنند. در اصل، غازی قصد داشت که کارش را به این شیوه آغاز کند اما به‌زودی به سمت مدل‌های فیزیکی حرکت کرد: هنوز نمی‌توان یک اندام مجازی را با احساس درست برش داد؛ یا اینکه از این مطلب آگاه شد که اگر یک عضو در بخش‌های مختلفی برش داشته شود، چقدر خونریزی اتفاق خواهد افتاد. او در حال حاضر، برای تهیه‌ی مدل‌های فیزیکی به‌عنوان ابزاری واقع‌گرایانه برای توسعه‌ی نرم‌افزار برنامه‌ریزی جراحی‌های مجازی در حال کار با شرکت‌های واقعیت مجازی است. مک آلپاین می‌گوید:

در آینده، جراحی‌های تمرینی با استفاده از تصویربرداری سه‌بعدی (واقعیت مجازی یا مدل‌های فیزیکی چاپ‌شده) می‌توانند به‌جای استثناء تبدیل به یک رویه‌ی معمول شوند. من فکر می‌کنم که این رویه بسیار معمول خواهد شد.